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世界MEMS传感器发展动态

供稿人:王德生  供稿时间:2018-8-2   关键字:MEMS传感器  市场  应用  

MEMS(Micro—Electro Mechanical System)传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统传感器相比,MEMS传感器[1]具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高,适于批量化生产、易于集成和实现智能化等特点。物联网时代的传感器对物理尺寸十分敏感,传感器的微型化对物联网产业的发展至关重要。MEMS传感器正逐步取代传统机械传感器的主导地位,在消费电子、汽车工业、航空航天、机械、化工及医药等领域展开广泛应用。

1.MEMS传感器的支柱地位显著

传感器和执行器是智能系统的关键设备,包括MEMS、图像传感器、磁传感器、化学传感器、生物传感器、光学传感器、射频(RF)器件等。据麦姆斯咨询(MEMS Consulting)预计,全球传感器和执行器市场规模将从2016年的380亿美元增长至2021年的660亿美元,复合年均增长率为12%。在这一蓬勃发展的市场中,MEMS处于支柱地位,以114亿美元占据2016年全球传感器和执行器市场的30%份额并以14%的复合年均增长率增长,到2021年全球MEMS传感器市场规模将达到220亿美元(图1)。 

图1  2015—2021年全球传感器市场规模(单位:10亿美元)

资料来源:麦姆斯咨询(MEMS Consulting).

2.射频MEMS、振荡器、微流控和气体传感器成为MEMS增长驱动力

射频(RF)MEMS(包括BAW滤波器和开关)正处于爆发性增长态势之中,如图2所示,预计2022年射频MEMS市场规模约为100亿美元。BAW滤波器、双工器和多工器占据绝大部分的射频MEMS市场份额。

MEMS振荡器和谐振器的出货量预计到2022年将超过十亿颗,这主要归因于其在时钟器件市场中的渗透率提升。该领域的领先企业主要是SiTime(现属于MegaChips)和Discera(现属于Microchip)。MEMS时钟器件具有良好的动态性能、小尺寸和低功耗等优点,已经获得广泛应用,尤其是物联网设备。

硅基微流控是另一类具有高增长特点的MEMS器件,2017—2022年的复合年均增长率高达20%。下一代DNA测序正在推动硅基微流控的医疗应用。

伴随集成气体传感器的可穿戴设备和物联网设备越来越多,环境监测传感器市场前景良好。据预测,环境监测MEMS(包括气体传感器和化学传感器)2017—2022年的复合年均增长率为16%。

图2  2017—2022年不同MEMS器件的复合年均增长率及市场规模(单位:亿美元)

说明:气泡大小代表到2022年市场规模

资料来源:麦姆斯咨询(MEMS Consulting).

3.全球MEMS主要生产厂商集中于欧美日等发达国家

全球前十名 MEMS厂商是博世、意法半导体、惠普、德州仪器、应美盛(InvenSense)、安华高(Avago)[2]、Qorvo、楼氏电子、佳能和松下(见表1)。博世因为其在汽车电子和消费电子的双重布局,牢牢占据着第一的位置,2016年销售额为11.6亿美元。图3反映2009—2016年全球领先的MEMS公司市场份额变化情况。

表1 全球前十名MEMS厂商概况及代表产品

公司名称

总部地址

概况

代表产品

博世(Bosch)

德国格尔林根

博世MEMS传感器应用于可穿戴设备、物联网等新领域,根据整合性与功率表现规划相关产品线,分别为应用于传感器节点的高整合/高功率MEMS传感器,应用于穿戴式装置的高整合/低功率型,搭载于物联网标签的单一元件/高功率型,以及智慧开关用单一元件/高功率型等

高智能传感器解决方案BHV250和BHV160

意法半导体(STMicroelectronics)

瑞士日内瓦

产品包括MEMS(微机电传感器,包括加速度计、陀螺仪、数字罗盘、惯性模块、压力传感器、湿度传感器和麦克风)、智能传感器、Sensor Hub、温度传感器和触摸传感器等

6轴MEMS惯性传感器模块LSM6DSL和LSM6DSM

德州仪器
(Texas Instruments)

美国德克萨斯州达拉斯

主要从事数字信号处理与模拟电路方面的研究、制造和销售。MEMS产品线:DLP® 和微机电系统 (MEMS)

基于MEMS的TI DLP Pico

安华高(Avago)

美国加州圣何塞

安华高提供模拟、混合信号和光电器件及子系统,主要包括光电产品、射频/微波器件及企业ASIC三大类产品

体声波(BAW)滤波器ACPF-7241

惠普
(Hewlett-Packard)

美国加州帕罗奥多

主要专注于台式机、服务器、笔记本电脑、打印 机、数字视频、软件、计算机与信息服务等业务。MEMS产品: MEMS喷墨打印头

基于极速独立供墨系统的喷墨打印头

Qorvo

美国北卡罗来纳州格林斯博罗

Qorvo由RFMD和TriQuint两家半导体公司于2015年合并成立。RFMD是设计和生产高性能射频解决方案的全球领先企业;TriQuint采用砷化镓(GaAs)、氮化镓 (GaN)、声表面波 (SAW) 和体声波 (BAW)技术设计、开发和生产先进的高性能射频解决方案

BAW和SAW滤波器 890084

楼氏电子
(Knowles Electronics)

美国伊利诺伊州艾塔斯卡

楼氏电子是先进的微声设备、特种组件以及移动通讯、消费电子、医疗科技、军事/空间和其它工业终端市场的人机界面解决方案的市场领导者和全球供应商。产品包括助听器元件、MEMs(微机电系统)麦克风、扬声器、受话器、传感器、电容器、振荡器等

表面贴装MEMs SPH0641LM4H-1

应美盛
(InvenSense)

美国加州森尼韦尔

应美盛是智能型运动处理方案的先驱、全球业界的领导厂商,驱动运动感测人机接口在消费性电子产品上的应用。InvenSense是发展出多轴角速度陀螺仪的先驱

六轴重力加速度智能传感器芯片系列:MPU-6050、MPU-6000、MPU-6555、MPU-6500、ICM-20608

佳能
(Canon)

日本东京

佳能产品系列共分布于三大领域:个人产品、办公设备和工业设备,主要产品包括照相机及镜头、数码相机、打印机、复印机、传真机、扫描仪、广播设备、医疗器材及半导体生产设备等

喷墨打印头

松下
(Panasonic)

日本大阪府门真市

松下是全球首屈一指的半导体供应商,并提供尖端半导体解决方案及软件

MEMS陀螺仪传感器EWTS8RK,EWTS8RN

资料来源:上海科学技术情报研究所分析整理.

 














图3  2009—2016年全球领先的MEMS公司市场份额变化情况

资料来源:麦姆斯咨询(MEMS Consulting).

目前,大部分MEMS行业的主要厂商是以Fabless(只做设计,没有生产)为主,例如楼氏、惠普、佳能等。同时,也有IDM(Integrated Device Manufacture,集成器件制造模式,从设计,到制造、封装测试以及投向消费市场一条龙全包的企业,称为IDM公司)厂商垂直参与到整条产业链的各个环节,比如博世、意法半导体等都建有自己的晶元代工生产线。

4.MEMS传感器趋向微型化、材料多样化、无源化

(1)微型化:可穿戴技术、便携式设备越来越要求传感器的小型化,纳米技术、集成化技术以及封装技术的研究发展将推进MEMs将实现更小的封装。

(2)材料多样化:随着材料合成技术的发展以及制造工艺的多样化,已有研究人员将氧化锆功能陶瓷、软磁薄膜和薄带材料、光纤材料、生物材料等新型材料用于制造MMEs传感器,传感器的制造材料将更加多样化。

(3)无源化:物联网时代,网络化的测控系统往往需要用到无线MEMS传感器,作为将非电量转化为电量的传感器,电源是关键。利用能量收集芯片收集太阳能、风能等其他能源,再将其转换为电能为传感器提供电源,无线传感模块与能量收集技术的结合将使MEMS传感器实现无源化。

5.MEMS应用领域广泛

受益于物联网产业的快速发展,将会给MEMS行业带来巨大的发展红利。除了智能手机,MEMS传感器将会在 AR/VR、可穿戴等消费电子,智能驾驶、智能工厂、智慧物流、智能家居、环境监测、智慧医疗等物联网领域广泛应用。

(1)可穿戴设备应用

可穿戴设备最基本的功能就是通过传感器实现运动传感,MEMS传感器在可穿戴设备中可实现运动追踪、心跳速率测量等。以小米手环为例,就用到亚德诺(ADI)的MEMS加速度和心率传感器来实现运动和心率监测;苹果手表内部除了MEMS加速度计、陀螺仪、MEMS麦克风,还有使用脉搏传感器。

(2)AR/VR应用

AR/VR设备需要足够精确测定头部转动的速度、角度和距离,采用MEMS加速度计、陀螺仪和磁力计来进行测定是重要的解决方案之一,几乎成为AR/VR设备的标配。Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR都采用了MEMS加速度计和陀螺仪,未来AR/VR设备也可能会使用MEMS眼球追踪技术。

(3)无人机应用

MEMS传感器在无人机飞行姿态控制技术上有较大的施展空间。结合加速度计和陀螺仪,可以算出角度变化,并确定位置和飞行姿态。MEMS传感器能在各种恶劣条件正常工作,同时获得高精度的输出。MEMS加速度计和陀螺仪在无人机上的应用可谓是大放异彩。

(4)车联网应用

车联网是物联网发展的重大领域,智能汽车是车联网的核心,正处于高速发展中。在智能汽车时代,主动安全技术成为备受关注的新兴领域,需要改进现有的主动安全系统,比如侧翻(rollover)与稳定性控制(ESC),这就需要MEMS加速度传感器和角速度传感器来感测车身姿态。语音将成为人与智能汽车的重要交互方式,MEMS麦克风将迎来发展新机遇。MEMS传感器在汽车领域还有很多应用,包括安全气囊(应用于正面防撞气囊的高g值加速度计和用于侧面气囊的压力传感器)、汽车发动机(应用于检测进气量的进气歧管绝对压力传感器和流量传感器)等。

(5)自动驾驶应用

自动驾驶技术的兴起,进一步推动MEMS传感器进入汽车。虽然GPS接收器可以计算自身位置和速度,但在GPS信号较差的地方(地下车库、隧道)和信号受到干扰的时候,汽车的导航会受到影响,这对自动驾驶来说是致命的缺陷。利用MEMS陀螺仪和加速度计获取速度和位置(角速度和角位置),车辆任何细微的动作和倾斜姿态,都被转化为数字信号,通过总线,传递给行车电脑。即便在最快的车速状态下,MEMS的精度和反应速度也能够适应。

(6)工业应用

智能工厂利用物联网技术加强信息管理和服务,掌握产销流程、提高生产过程的可控性、减少生产线上人工的干预、及时正确地采集生产线数据,以合理的安排生产计划与生产进度,并优化供应链。传感器应用非常广泛,工业生产各个环节都需要传感器进行监测,并把数据反馈给控制中心,以便对出现异常节点进行及时干预,保证工业生产正常进行。MEMS让传感器小型化、智能化,MEMS传感器将在智慧工业时代大有可为。MEMS温度、湿度传感器可用于环境条件的检测,MEMS加速度计可以用来监测工业设备的振动和旋转速度。高精度的MEMS加速度计和陀螺仪可以为工业机器人的导航和转动提供精确的位置信息。业界普遍认为,新一代的智能传感器是智能工业的“心脏”,它让产品生产流程持续运行,并让工作人员远离生产线和设备,保证人身安全和健康。

 

[1] MEMS传感器种类繁多,主要的MEMS传感器包括运动传感器、压力、麦克风、环境、光传感器等。其中运动传感器可分为陀螺仪、加速度计、磁力计,环境传感器可细分为气体、温度和湿度传感器。

[2] 2016年安华高以总计约370亿美元的现金和股票收购博通,这是迄今全球芯片业历史上最大规模的一桩并购案,安华高现已更名为博通有限公司.


主要参考文献: 

1、郝旭欢等. MEMS传感器的发展现状及应用综述[J]. 无线互联科技,2016—02.

2、麦姆斯咨询http://www.memsconsulting.com/.

 

 




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